Nhóm nghiên cứu của Đại học Tokyo vừa phát triển một linh kiện bán dẫn thế hệ mới có tốc độ xử lý thông tin nhanh gấp tối đa 1.000 lần công nghệ hiện nay, trong khi hầu như không làm tăng nhiệt. Kết quả này được đánh giá có thể mở ra hướng đi mới cho điện toán tiêu thụ điện thấp, trong bối cảnh ngành chip đang đồng thời vấp phải giới hạn về tốc độ và nhiệt lượng tỏa ra.

Theo TechRadar ngày 18/5 (giờ địa phương), công nghệ mới là một “linh kiện chuyển mạch lượng tử không bay hơi”, lưu dữ liệu bằng cách tận dụng đặc tính từ của electron thay vì dựa vào dòng điện như chip truyền thống.

Điểm đáng chú ý của nghiên cứu nằm ở việc cùng lúc giải bài toán tốc độ và phát nhiệt. Trong thử nghiệm, linh kiện này xử lý 1 bit dữ liệu trong khoảng 40 picôgiây (ps), trong khi chip hiện nay thường ở mức khoảng 1 nanôgiây (ns).

Không chỉ tăng tốc, linh kiện mới còn giúp giảm đáng kể nhiệt phát sinh. Với chip truyền thống, tốc độ càng cao thì nhiệt lượng tỏa ra càng lớn, từ đó hạn chế hiệu năng. Theo nhóm nghiên cứu, thiết bị mới ghi thông tin thông qua sự thay đổi hướng từ, thay vì cần dòng điện liên tục, nhờ đó có thể cắt giảm lượng nhiệt tạo ra.

Về cấu trúc, linh kiện được chế tạo từ tantalum và manganin. Khi tín hiệu điện đi qua lớp tantalum, một thay đổi rất nhỏ về hướng từ sẽ được ghi vào lớp manganin, và chính trạng thái này đóng vai trò là bit dữ liệu. Thiết kế đó, theo nhóm nghiên cứu, cho phép đạt tốc độ xử lý rất cao mà vẫn duy trì mức tiêu thụ điện thấp.

Độ bền cũng là một điểm nổi bật. Nhóm nghiên cứu cho biết linh kiện vẫn hoạt động ổn định sau hơn 100 tỷ chu kỳ lặp lại. Trong khi đó, theo thông tin được TechRadar dẫn lại, các bán dẫn tốc độ cao hiện nay trong điều kiện tương tự có thể gặp vấn đề quá nhiệt sau khoảng 10 triệu lần hoạt động.

Khả năng thu nhỏ của công nghệ này cũng được xem là lợi thế. Nhóm nghiên cứu nhận định linh kiện càng nhỏ thì hiệu quả cải thiện hiệu năng có thể càng lớn. Nếu được hiện thực hóa thành chip hoàn chỉnh, công nghệ này có thể kéo mức tiêu thụ điện xuống còn 1/100 so với bán dẫn hiện tại.

Từ đó, nhóm nghiên cứu đưa ra một số kịch bản ứng dụng tiềm năng. Các trung tâm dữ liệu quy mô lớn, hiện tiêu thụ lượng điện tương đương khoảng 80.000 hộ gia đình, về lý thuyết có thể giảm xuống mức tương đương 800 hộ. Với laptop hiệu năng cao, hiệu suất năng lượng cũng có thể được cải thiện mạnh, thậm chí đạt thời lượng sử dụng vài tháng chỉ sau một lần sạc. Nhóm nghiên cứu lấy ví dụ một mẫu MacBook Pro vốn phải sạc mỗi ngày có thể hoạt động tới 3 tháng sau một lần sạc.

Dù vậy, khả năng thương mại hóa vẫn còn ở khá xa. Nhóm nghiên cứu nhấn mạnh kết quả hiện mới dừng ở giai đoạn chứng minh nguyên lý trong phòng thí nghiệm, trong khi việc chuyển sang quy trình sản xuất bán dẫn hàng loạt là một thách thức hoàn toàn khác. TechRadar cũng lưu ý rằng tính khả thi về mặt vật lý không đồng nghĩa với khả năng sản xuất thực tế, bởi công nghệ này còn đòi hỏi quy trình chế tạo phù hợp, nguồn vốn lớn và chuỗi cung ứng tương ứng.

Về mặt lý thuyết, tiềm năng tăng hiệu năng xử lý được đánh giá rất lớn. TechRadar cho biết một tác vụ tải dữ liệu hiện mất khoảng 1 giờ có thể được rút ngắn xuống còn khoảng 1 giây. Tuy nhiên, đây mới chủ yếu là triển vọng trên lý thuyết và sẽ cần thêm nhiều năm để hoàn thiện công nghệ.

Hiện nhóm nghiên cứu đặt mục tiêu phát triển chip mẫu vào khoảng năm 2030. Các sản phẩm thương mại nhiều khả năng chỉ xuất hiện sau mốc này. Vì vậy, công nghệ chưa thể sớm được đưa ra thị trường, nhưng vẫn được xem là một ứng viên đáng chú ý trong cuộc đua phát triển bán dẫn siêu nhanh, tiêu thụ điện thấp.